Менше за атом водню: вчені створили мікроскоп з роздільною здатністю 0,05 нм
/https%3A%2F%2Fs3.eu-central-1.amazonaws.com%2Fmedia.my.ua%2Ffeed%2F137%2Fcf7c8da121289235e55d8f349ad2de88.png)
Національна лабораторія Ок-Ридж (ORNL) Міністерства енергетики США встановила новий скануючий трансмісійний електронний мікроскоп Thermo Scientific Spectra Ultra. Прилад розрізняє окремі атоми та дефекти в їхньому розташуванні, і ним планують шукати матеріали для легших автомобілів, міцніших сплавів, магнітів і каталізаторів, повідомила лабораторія.
Що видно на 0,05 нанометра
Просторова роздільна здатність мікроскопа — менше ніж 0,05 нанометра, або пів ангстрема. Це менше за діаметр атома водню, найменшого з усіх атомів, пояснюють фахівці з електронної мікроскопії. Для порівняння: така відстань приблизно в мільйон разів менша за товщину людської волосини.
Принцип роботи такий: пучок електронів фокусують у крихітну точку і рядок за рядком “прочісують” нею надтонкий зразок, а з електронів, що пройшли крізь нього, складається зображення. Паралельно прилад збирає рентгенівське випромінювання, яке видає хімічний склад кожної ділянки. Напругу пучка тут можна змінювати від 30 до 300 кіловольт, щоб не пошкоджувати делікатні зразки, зазначає виробник.
Чому один сплав тримається, а інший слабне
Автовиробники давно шукають легші метали, які дозволили б зекономити пальне або збільшити запас ходу без втрат у безпеці та довговічності. Для цього треба розуміти, як матеріал змінюється за роки реальної експлуатації. ORNL уже працює над такими задачами: раніше лабораторія розробила жароміцні сплави для легших і економніших вантажних двигунів.
“За допомогою нового мікроскопа ми можемо вивчати конкретні особливості на атомному рівні, які впливають на міцність і стабільність матеріалу, і з’ясовувати, чому один легкий сплав лишається міцним після років вібрації, нагріву й навантажень, а інший починає слабнути”, — каже Аллен Гейнс, директор консорціуму Powertrain Materials Core Program Міненерго США.
Магніти та каталізатори
Другий напрям дослідження — постійні магніти для тягових електродвигунів. Дослідники хочуть побачити, як критично важливі мінерали розподілені всередині магніту, чи можна замінити їх доступнішими і як це позначиться на роботі за високих температур. Стійкість до екстремальних умов — загальний виклик для матеріалознавців: наприклад, NASA нещодавно випробувало батарею, яка витримала −170 °C.
Ще один напрям — каталізатори, тобто речовини, що пришвидшують хімічні реакції. Їх використовують у паливних елементах, у виробництві добрив і пластмас, а вчені хочуть зрозуміти, чому одні каталізатори з часом зберігають ефективність, а інші деградують. Пошуки ефективніших каталізаторів тривають у багатьох лабораторіях: так, у Шанхаї створили каталізатор, що перетворює деревину на авіапаливо.
Мікроскоп, що працюватиме сам
Найбільший потенціал приладу в ORNL бачать в автоматизації. Замість того щоб науковці вручну розглядали кілька зразків, автономні системи збиратимуть і аналізуватимуть великі масиви даних, знаходитимуть закономірності в мікроструктурі та підказуватимуть, що досліджувати далі. Розгортання мікроскопа підтримали Управління транспортних технологій та Управління альтернативних видів палива і сировини Міненерго США.
“Усе це розраховано на високу пропускну здатність. Ми розробляємо підходи автономної мікроскопії, які можуть пришвидшити темп, з яким ми здобуваємо наукове розуміння”, — пояснює Девід Каллен, провідний науковий співробітник ORNL.
У релізі лабораторії ці автоматизовані процеси названі “SI-enabled”, тобто такими, що працюють на основі Super Intelligence. Це не нова технологія, а нова назва штучного інтелекту: указ президента США від 29 вересня 2026 року зобов’язав федеральні відомства вживати термін “суперінтелект” замість “штучного інтелекту”, йдеться в настановах Міненерго.
Не рекорд, а робочий інструмент
Сама по собі роздільна здатність у 0,05 нанометра не є чимось небаченим. Ще у 2008 році в Національній лабораторії імені Лоуренса в Берклі запрацював мікроскоп TEAM 0.5 з роздільною здатністю пів ангстрема. Його створювала спільна команда Міненерго, до якої входила і ORNL.
Світовий рекорд належить іншому підходу — електронній птихографії, коли зображення відновлюють комп’ютерні алгоритми з тисяч картин розсіювання. У 2021 році команда Девіда Мюллера з Корнелльського університету досягла так роздільної здатності 0,02 нанометра.
“Це не просто новий рекорд. Ми вийшли в режим, який фактично стане граничною межею для роздільної здатності”, — казав тоді Мюллер.
Цінність Spectra Ultra в іншому: це серійний прилад, що поєднує атомарну роздільну здатність, швидкий хімічний аналіз і гнучке налаштування напруги. Thermo Fisher Scientific представила цю модель у 2021 році, зокрема з детектором Ultra-X, який, за даними компанії, удвічі скорочує час побудови хімічних карт зразка.
Хто зможе ним користуватися
Мікроскоп, розміщений у Центрі нанофазних матеріалознавчих досліджень ORNL — це науковий об’єкт Міненерго, відкритий для зовнішніх дослідників. Доступ до нього безкоштовний для тих, хто публікує результати у відкритій науковій літературі. Наступний крок — пристосувати наявні в лабораторії алгоритми машинного навчання до роботи з електронним пучком приладу, пише Tech Times.
Джерело: Interesting Engineering